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真空

泵演示真空
外太空并非完全真空的空间

真空是一种不存在任何物质的空间状态,是一种物理现象。在真空中,声波因为没有介质而无法传递,但电磁波的传递不受真空的影响。粗略地说,真空是指在一区域之内的气压远远小于大气压力。真空常用帕斯卡(Pascal)或托尔(Torr)做为压力的单位。目前在自然环境里,只有外太空堪称最接近真空的空间。

真空下的气压为零,有些情形下,气压小于大气压力,但不为零,此时称为局部真空,有些也简称为真空。

在局部真空的情形下,若其他条件不变,气压越低,表示越接近真空。例如一般的吸尘器的吸力可以使气压降低20%。也可以产生更接近真空的条件,像化学、物理及工程常见的超高真空英语Ultra-high_vacuum腔体,其气压可以到大气压力的10−12,粒子密度为每立方厘米100粒子。外太空更接近真空,相当于平均一立方米只有几个氢原子。根据现代物理学的了解,即使空间中的所有物质都移除了,因为量子涨落暗能量、经过的γ-射线和宇宙射线、微中子等现象,空间仍然不会是完全的真空。在近代的粒子物理中,将真空态视为是物质的基态

自古希腊起,真空就是常带来争议的哲学议题,但到了十七世纪西方才开始实验上的研究。埃万杰利斯塔·托里切利在1643年进行了第一个真空的实验,而随着他大气压力理论的出现,也开始产生其他的实验技术。托里切利真空是将一端封闭的长玻璃容器(超过76公分)中装满水银,倒置在装满水银的容器中,长玻璃容器上方的真空即为托里切利真空。

20世纪在电灯泡真空管问世后,真空变成一个有价值的工业工具,也出现了许多产生真空的技术。载人航天的进展也让真空对人类及其他生物的影响开始感兴趣。

历史

西汉刘安在《淮南万毕术》中提到:“铜瓮雷鸣。”其注曰:“取沸汤置瓮中,坚塞之,内于井中,则作雷鸣,闻数十里。”铜瓮雷鸣是由于盛沸水的铜瓮骤然遇冷造成局部真空。这时外部大气压力加上井水压力会将铜瓮压破,爆炸出雷鸣的声响。

1641年,意大利数学家托里拆利在一根长管子内加满水银,然后很迅速的将管口倒转在一个盛满水银的盆内,管子内水银柱的末端是76公分高。这时玻璃管最上方无水银地带是真空状态。这一实验为“托里拆利实验”,完成实验的玻璃管为“托里拆利管”。

1654年,马德堡市长奥托·冯·格里克雷根斯堡向皇帝展示了他所设计的半球实验。他制造了两个直径36公分的红色铜制半球,半球中间有一层浸满了油的皮革,用以让两个半球能完全密合。接着他用他自制的真空泵将球内的空气抽掉,此时两个沉重的铜制半球在没有任何接着剂的辅助下紧密地合而为一,让人十分惊讶。但格里克实验的高潮才正要开始,他为了证明两半球的结合是多么紧密、扎实,安排了两队各15匹马,以相反的方向试图将该球体拉开,结果居然拉不开,此实验被称为“马德堡半球实验”。

现代许多高精密度的产品在制造过程中的某些阶段必需使用程度不一的真空才能制造,如半导体硬盘镜片。在实验室和工厂中制造真空的方法是利用在密闭的空间中抽出空气以达到某种程度的真空。

马德堡半球

马德堡半球是一对铜质空心半球,被用于1654年由德国物理学家、时任马德堡市长奥托·冯·居里克神圣罗马帝国雷根斯堡(今德国雷根斯堡)进行的一项物理学实验。在这项实验中,实验者先将两个完全密合的半球中的空气抽掉,然后驱马从两侧向外拉,以展示大气压力的作用。马德堡半球实验作为物理学中的经典实验,今日仍被广泛用于课堂教学。最初用于实验的两个半球保存于位于慕尼黑德意志博物馆中。

1654年5月8日,格里克在雷根斯堡向当时的神圣罗马皇帝斐迪南三世展示了他所设计的半球实验。他用自制的真空泵将球内的空气抽掉,此时两个沉重的铜制半球在没有任何接着剂的辅助下紧密地合而为一。随后,他为了证明两半球的结合是多么紧密、扎实,安排了两队各15匹,以相反的方向试图将该球体拉开,结果未能将其拉开,两半球最后还是借由解除真空状态才得以分离。

之后格里克多次在各地重现此实验以飨广大好奇的观众。1656年,他在他任职市长的马德堡用两队各8匹马重复了这一实验,得到了相同的结果。他还尝试将两个半球组成的球体抽出空气后悬挂重物,两个半球也没有分离。1663年,他在柏林用两队各12匹马为勃兰登堡选帝侯腓特烈·威廉重复了这一实验。

在此以后,马德堡半球实验逐渐成为广为人知的示范大气压力原理的实验方法。波士顿等多地曾独立重复过马德堡半球实验。也有供教学用途的马德堡半球的仿制品,它们的体积也比当年的半球小得多,把半球的空间抽真空后,不再需要用马力便可拉开。德国邮政发行过纪念这一实验的邮票。

不同程度的真空

在真空技术中按照压力的高低,可区分为:

不同程度的真空
真空程度 托尔 帕斯卡 大气压
大气压力 760 1.013×105 1013.25 1
粗略真空(Rough Vacuum) 760 ~ 25 1×105 ~ 3×103 1013.25~33.33 1 ~ 0.03
中度真空(Medium Vacuum) 25 ~ 1×10−3 3×103 ~ 1×10−1 33.33~1.33×10−3
高真空(High Vacuum) 1×10−3 ~ 1×10−9 1×10−1 ~ 1×10−7 1.33×10−3~1.33×10−9
超高真空英语Ultra-high Vacuum(Ultra-High Vacuum) 1×10−9 ~ 1×10−12 1×10−7 ~ 1×10−10 1.33×10−9~1.33×10−12
外太空 1×10−6 ~ <3×10−17 1×10−4 ~ < 3×10−15
绝对真空(Absolute Vacuum) 0 0 0 0

范例

压力(Pa或kPa) 压力(Torr) 平均自由程 每立方公分的分子数
大气压力,作比较用 101.325 kPa 760 66 nm 2.5×1019
吸尘器 约8×104 600 70 nm 1019
蒸汽涡轮发动机(冷凝器背压) 9 kPa
液环英语liquid ring真空泵 约 3.2×103 24 1.75 μm 1018
火星大气 1.155 kPa至0.03 kPa
(平均0.6 kPa)
8.66至0.23
冷冻干燥 100 至 10 1 至 0.1 100 μm 至 1 mm 1016 至 1015
电灯泡 10 至 1 0.1 至 0.01 1 mm 至 1 cm 1015 至 1014
保温瓶的抽真空 1 至 0.01 10−2 至 10−4 1 cm 至 1 m 1014 至 1012
地球热层 1 Pa 至 1×10−7 10−2 至 10−9 1 cm 至 100 km 1014 至 107
真空管 1×10−5 至 1×10−8 10−7 至 10−10 1 至 1,000 km 109 至 106
低温泵英语Cryopump分子束外延 1×10−7 至 1×10−9 10−9 至 10−11 100 至 10,000 km 107 至 105
月球大气 约 1×10−9 10−11 10,000 km 4×105
行星际空间     11
星际物质     1
星系际空间   10−6

相关条目

参见

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外部链接


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